鋼筋混凝土筒倉的設(shè)計(jì)與探討

石文濤

【摘 要】筒倉是工業(yè)企業(yè)用于儲存物料的常用構(gòu)筑物。筒倉頂多為多層結(jié)構(gòu)，其荷載大、動(dòng)力設(shè)備多，給設(shè)計(jì)帶來不少困難。筒倉的支撐構(gòu)件與上部筒身之間的剛度差別較大。文章結(jié)合工程實(shí)際對圓筒倉的設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)，針對關(guān)鍵性問題進(jìn)行討論并提出設(shè)計(jì)建議。

【關(guān)鍵詞】筒倉；剛度；高位料倉；深倉

【中圖分類號】TU375 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2018）05-0097-02

筒倉是一種儲存物料的常用構(gòu)筑物，因?yàn)槠渥陨斫Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)，筒壁在儲料荷載作用下受力均勻、不產(chǎn)生彎矩，且平面布置可以多種多樣，所以被廣泛應(yīng)用。

工業(yè)企業(yè)的筒倉內(nèi)儲料具有顆粒大（粒徑為20～30 cm）、容重大及儲量大等特點(diǎn)。筒倉的下部出料往往考慮用火車、汽車或者皮帶機(jī)運(yùn)輸。筒倉頂多為多層結(jié)構(gòu)，其荷載大、動(dòng)力設(shè)備多，給設(shè)計(jì)帶來不少困難。筒倉的支撐構(gòu)件與上部筒身之間的剛度差別大，特別是地震區(qū)的筒倉設(shè)計(jì)，更應(yīng)重視這種特點(diǎn)。本文結(jié)合工程實(shí)際對圓筒倉的設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)，對一些關(guān)鍵性問題進(jìn)行討論并給出建議，希望對今后工業(yè)企業(yè)中常用的筒倉設(shè)計(jì)有借鑒意義。

1 高位料倉的支承結(jié)構(gòu)

高位料倉的支承結(jié)構(gòu)一般采用柱子支承或筒壁支承，支承結(jié)構(gòu)的受力較復(fù)雜，在地震區(qū)還需考慮結(jié)構(gòu)自振、動(dòng)力設(shè)備振動(dòng)、風(fēng)震及地震力等共同作用。支承結(jié)構(gòu)的布置需滿足倉底部車輛通行的需要，設(shè)計(jì)時(shí)必須注意支承結(jié)構(gòu)與筒倉間的剛度變化，采取措施緩和剛度突變。

地震區(qū)筒倉應(yīng)優(yōu)先采用筒壁支承形式，通過對地震區(qū)筒倉的震害情況進(jìn)行分析可知，采用柱子支承的筒倉倒塌和嚴(yán)重?fù)p壞率非常高，在9°烈度區(qū)為22%，在10～11°烈度區(qū)竟達(dá)47%，而采用筒壁支承的卻極少發(fā)生倒塌。

（1）柱子支承。柱子支承的筒倉容易破壞的原因主要是柱子支承存在兩大缺陷。一是倉壁與柱子支承的交界處，存在明顯的剛度突變。事實(shí)上，柱子支承結(jié)構(gòu)的剛度遠(yuǎn)較倉壁支撐的結(jié)構(gòu)剛度小。在地震力作用下，框架式柱子上、下端的慣性矩可相差70%左右。例如，某筒倉倉身直徑為9 m、壁厚為0.25 m，采用框架式6柱支承，柱斷面為0.6 m×0.6 m。經(jīng)計(jì)算可知，對于YZ平面，柱子支承部分的慣性矩是倉身部分慣性矩的25%。在地震區(qū)，由于構(gòu)筑物的剛度突變，使之對地震力非常敏感，會造成嚴(yán)重的局部（交接處）應(yīng)力集中，并導(dǎo)致柱端破壞。二是采用柱子支承的筒倉在結(jié)構(gòu)地震力分析時(shí)，計(jì)算出的地震力往往比實(shí)際小。原因在于柱子支承的剛度遠(yuǎn)較倉壁支撐的剛度小，柱子很柔，反映出來的地震力自然也小。若不全面分析，就依據(jù)此地震力進(jìn)行支承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，是極其不合理的。事實(shí)上，支撐結(jié)構(gòu)柱很柔，自振周期長，對于短周期的地震力而言，自振周期過長的支承柱頭將出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，一旦發(fā)生地震便導(dǎo)致破壞。因此，在地震區(qū)筒倉不宜采用柱子支承的支撐方式。

（2）筒壁支承。筒壁支承即筒倉漏斗支承在環(huán)梁上，環(huán)梁和支承壁的剛度突變不明顯。同時(shí)，環(huán)梁和筒壁交接處，還可采用筒壁加腋的辦法，緩和其剛度突變。這種支撐形式的筒倉可抵御強(qiáng)大的地震力作用。這一點(diǎn)從地震區(qū)筒倉的破壞情況中可以證實(shí)。就筒壁支承的筒倉而言，設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于地面處。由于倉下有汽車通行，需在鄰近地面的筒壁上開洞，該洞底一般與地面平齊或略低，洞口大小應(yīng)滿足車輛通行要求。開洞削弱了筒壁的有效截面，通常用補(bǔ)強(qiáng)方式進(jìn)行補(bǔ)償。在地震區(qū)，通常是在洞口兩側(cè)加扶壁柱，以增強(qiáng)筒壁的穩(wěn)定性。

2 深倉支承結(jié)構(gòu)

筒倉內(nèi)的堆料高度與圓形筒倉直徑之比大于或等于1.5時(shí)為深倉，小于1.5時(shí)為淺倉。深倉最常用的做法是倉底下料口直接在火車、汽車或皮帶運(yùn)輸機(jī)上卸料。工業(yè)企業(yè)往往將這些構(gòu)筑物直接建于鐵路線上，這樣即使無地震筒倉對筒體的剛度變化也很敏感。近年來，工藝要求將動(dòng)力設(shè)備移至倉頂，使筒倉設(shè)計(jì)更為復(fù)雜。這種料倉有時(shí)貯料深度達(dá)20 m，漏斗部分所承受的荷載很大。這些均與高位料倉有所不同。

2.1 深倉漏斗的結(jié)構(gòu)形式

漏斗可做成鋼筋混凝土漏斗和鋼漏斗。鋼漏斗在受沖擊或卸料時(shí)振動(dòng)較大，對支承結(jié)構(gòu)不利。為避免振動(dòng)通常采用鋼筋混凝土漏斗。漏斗通常分尖底式和平底式兩種。在地震作用下，平底式漏斗穩(wěn)定性好、易于支承，通常采用平底式漏斗。

2.2 深倉的支承結(jié)構(gòu)

（1）倉壁落地支承。深倉通常采用倉壁直接落地的支撐方式，采用支承筒壁與倉底交界處加腋的辦法來緩和倉底與支承壁間的剛度變化，若在支承筒壁上開洞，則采用等剛度原則補(bǔ)強(qiáng)。

（2）漏斗內(nèi)柱支承。深倉的漏斗承受的荷載很大，由此產(chǎn)生的在支承筒壁端部的地震荷載也很大，此時(shí)，支承筒壁屬于壓彎桿件，受力復(fù)雜。為改善其受力狀態(tài)，通常采用4根立柱支承在漏斗下。立柱間距滿足通車需要，柱上端支撐于漏斗下倉底平臺的平臺梁交點(diǎn)上，內(nèi)柱與倉底梁形成框架結(jié)構(gòu)。

（3）倉壁與內(nèi)柱聯(lián)合支承。這種倉壁、內(nèi)柱聯(lián)合支承形式，不僅能支持漏斗的較大荷載，而且改善了整個(gè)支承體系的剛度。對聯(lián)合支承的受力狀態(tài)做如下分析。柱子的受力狀態(tài)：假定漏斗的料載全部傳給柱子，漏斗部分的豎向荷載均由柱子承受。筒壁受力狀態(tài)：筒壁荷載由支承筒壁本身承受，筒壁剛度遠(yuǎn)較框架柱大，因此假定水平荷載均由筒壁承受。采用這種簡化分析方法得出結(jié)果受力明確、計(jì)算簡捷、結(jié)構(gòu)簡單。若筒倉直徑較大，而漏斗料載部分傳給筒壁，則需要對筒壁進(jìn)行校核。

3 倉頂結(jié)構(gòu)

倉頂是指倉頂平臺及其上的多層建筑。

3.1 倉上結(jié)構(gòu)

近年來，倉上結(jié)構(gòu)有向?qū)痈叽?、層?shù)多、荷載大、動(dòng)力設(shè)備多等方向發(fā)展的趨勢。從結(jié)構(gòu)專業(yè)的角度分析，這樣做雖然滿足了工藝要求，但對筒倉的結(jié)構(gòu)非常不利。筆者認(rèn)為：倉上結(jié)構(gòu)不宜超過2層，以全鋼結(jié)構(gòu)為宜，若需做保溫層，應(yīng)盡量采用輕質(zhì)材料；倉上結(jié)構(gòu)和倉頂板上的振動(dòng)設(shè)備，其擾力作用點(diǎn)應(yīng)盡量布置得靠近柱子，以便絕大部分振動(dòng)能量以最短的距離被柱子所吸收。

3.2 倉上結(jié)構(gòu)的平面布置

為敘述方便，把倉頂分為頂板和倉上結(jié)構(gòu)。倉上結(jié)構(gòu)平面布置的關(guān)鍵，是鋼架或框架柱柱腳須在倉壁上或倉壁范圍內(nèi)，不宜布置在倉壁范圍外（如圖1、圖2所示）。

（1）外切四邊形平面。工藝專業(yè)為了得到更多建筑面積，便于布置各種機(jī)械設(shè)備，經(jīng)常要求倉頂結(jié)構(gòu)布置呈外切四邊形平面，結(jié)合圖1、圖2，討論倉上結(jié)構(gòu)柱子的布置問題。分別對以下3種情況進(jìn)行說明：{1}柱子布置于梁的中點(diǎn)1（如圖1所示），該柱可以看作彈性基礎(chǔ)上的一根柱子，計(jì)算復(fù)雜。同時(shí)，在橫向荷載作用下，柱子將傳給梁一個(gè)扭矩，對梁的工作不利。{2}柱子布置于點(diǎn)2（如圖1所示），此時(shí)點(diǎn)2處于框架柱傳來的力矩作用下，且支承筒壁的局部斷面比梁端的要小得多，故在支承處產(chǎn)生的局部應(yīng)力集中，會使筒壁在該點(diǎn)的受力情況復(fù)雜化。但可用筒壁加腋的方法消除其上、下的剛度突變，柱子布置于點(diǎn)2的結(jié)構(gòu)形式也是可行的。{3}柱子布置于點(diǎn)3時(shí)，這種布置方式最為不利。一般通行皮帶機(jī)的筒倉直徑約9 m，則3～2梁的軸線長度為4.5 m，凈懸臂長約4 m。若為單層倉頂，輕型屋蓋，屋面上無特殊荷載，則可在點(diǎn)3處立一根柱子。若倉上結(jié)構(gòu)為多層，有動(dòng)力設(shè)備，荷載大，角柱受力較大，點(diǎn)3處就不宜立柱。

（2）內(nèi)接四邊形平面。如圖2所示，這種平面形式的各柱布置（不管是對倉頂板，還是對倉壁），其剛度均相同。與外切四邊形平面布置（點(diǎn)2）相比，優(yōu)越性明顯。

倉頂上梁系的布置，根據(jù)倉頂柱的布置而定。當(dāng)倉頂柱的布置確定后，在條件允許的情況下，應(yīng)盡量將梁布置成“井”字形，避免平行布置?！熬弊至阂伺c環(huán)梁同高，且環(huán)梁應(yīng)有足夠的高度，以滿足柱腳與梁構(gòu)造連接的要求。倉頂板是倉上結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)平臺，要做得有足夠的剛度。筆者建議倉頂板剛度為倉頂柱剛度的5倍。

此外，還要考慮倉頂?shù)谋薅诵?yīng)和邊緣效應(yīng)。高聳于筒倉之上的倉頂，具有鞭端效應(yīng)。在設(shè)計(jì)過程中，倉頂結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算建議取放大系數(shù)為3。對于倉頂板與倉壁交界處的邊緣效應(yīng)，通常采用倉壁加腋和配筋加密的補(bǔ)強(qiáng)措施。

4 結(jié)語

在筒倉設(shè)計(jì)中，筒壁和漏斗的設(shè)計(jì)相對簡單，但支承結(jié)構(gòu)計(jì)算較復(fù)雜，尤其是在地震力的作用下，結(jié)構(gòu)對剛度的變化很敏感，而支承與被支承結(jié)構(gòu)之間存在剛度突變。故在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分利用各種方式，采取有效措施，緩和其剛度變化。

在結(jié)構(gòu)布局方面，要求各構(gòu)件交接處盡量減少邊緣效應(yīng)，充分發(fā)揮各構(gòu)件的剛度作用，選擇最優(yōu)的結(jié)構(gòu)形式。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]陳載賦.鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)與特種結(jié)構(gòu)手冊[M].成都：四川科學(xué)技術(shù)出版社，1997.

[2]鄭慶國，丁智潮.鋼筋混凝土筒倉基礎(chǔ)設(shè)計(jì)問題探討[J].浙江建筑，2011，28（7）：18-20.

[3]姚滿喜.鋼筋混凝土筒倉設(shè)計(jì)探討[J].山西建筑，2013，39（16）：17-18.

[責(zé)任編輯：鐘聲賢]